ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
简要介绍近断层方向性效应、滑冲效应、上盘效应和显著竖向地面运动等近断层地震动主要特征及成因；概括总结近断层水平和竖向地震作用下工程结构地震响应的研究进展；在此基础上，对目前国内外抗震设计规范中考虑近断层地震影响有关规定进行了介绍和概况总结。提出关于近断层上盘效应引起的脉冲特性以及地震动的随机特性的发生机理等问题的研究仍不够深入，近断层地震作用下已有的结构振动控制技术的安全性和有效性有待进一步确认和验证。建议关注近断层加速度脉冲、竖向及转动分量作用下的工程结构地震响应，可结合地震断层破裂过程的数值仿真技术来弥补近断层地震记录数量的不足，以更好地研究近断层地震动特性及工程结构地震响应，为未来结构抗震设计及评估中考虑近断层地震动效应的影响和规范修订提供参考。
目前我国GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》中所推荐的振型分解反应谱法和时程分析法尚无法完全反映地震动随机性对建筑结构的影响，采用真正意义的随机振动方法计算复杂高层建筑地震响应的需求越来越迫切。结合新修订的广东省标准DBJ 15-92—2013《高层建筑混凝土结构技术规程》，全面介绍了结构地震作用计算时域显式随机模拟法的计算原理和实现方法，内容包括： 1) 通过迭代计算直接获得与现行规范反应谱完全等效的地震动加速度功率谱； 2) 给出基于精细积分和Newmark-β积分格式的结构地震响应显式表达式的构建方法； 3) 结合地震动随机过程的数值模拟，统计分析得到结构平均峰值响应。以广州西塔等4栋超高层和高层建筑为工程应用实例，显示了时域显式随机模拟法在高层结构抗震分析中的高效性和实用性。计算结果表明，时域显式随机模拟法和传统振型分解反应谱法的计算结果存在一定差异，最大差异可超过25％，反应谱法的内力计算结果普遍偏小。
利用ATC-63项目关于一般建设工程抗倒塌能力的不确定性推荐成果，考虑我国地震环境的差异，采用风险积分的方法在不同形状超越概率曲线的基础上耦合了结构倒塌能力的不确定性，获得了中国大陆地区对应于罕遇地震水平（50年超越概率2%）峰值加速度的倒塌概率、50年倒塌概率1%所对应的峰值加速度以及50年倒塌概率1%所对应的峰值加速度与罕遇地震水平峰值加速度的比值（文中称“风险系数”）。研究认为中国大陆地区罕遇地震水平的峰值加速度大致相当于50年倒塌概率1%所对应的峰值加速度，中国大陆地区风险系数绝大部分集中在0.8～1.2之间, 为了满足中国大陆地区一般建设工程具有一致的抗倒塌能力，建议利用风险系数图对罕遇地震水平的峰值加速度进行调整。我国东南沿海部分人口稠密、经济发达地区，其罕遇地震水平峰值加速度对应的50年倒塌概率为2%～5%，明显高于其他地区，应该引起足够重视。
针对高耸结构环形调谐液体阻尼器减振试验的设计与模型修正展开研究。以某真实高耸钢烟囱结构为原型，采用欠人工质量模型理论设计了动力试验模型，进而建立了集中质量模型和有限元模型进行动力特性分析，并与实际结构进行了对比，从而验证了试验模型的合理性。通过自由衰减试验，测得试验模型的频率和阻尼比，并针对试验中采用的无线加速度传感器，讨论其在高耸结构动力测试中的适用性。建立了基于遗传算法的模型修正方法，在试验数据的基础上，以结构刚度和基底转动刚度为变量，以真实结构静动力特性为目标，通过编制程序开展了数值模拟研究。研究结果表明：所设计的试验模型满足相似比关系，并且能够在一定程度上反映真实结构的动力行为；基于遗传算法的模型修正方法，仅需50代遗传计算即能收敛，是一种高效的数值模型修正方法。研究为进一步开展高耸钢烟囱环形调谐液体阻尼器减振试验提供了试验模型和数值模型。
针对高耸钢烟囱环形调谐液体阻尼器（TLD）的减振试验及其数值模拟开展研究。根据高耸钢烟囱模型结构，设计制作了环形TLD试验模型，确定了试验加载和测点布置方案。建立了环形TLD力学模型，并推导了高耸结构环形TLD减振控制的动力分析模型，据此编制了高耸结构环形TLD减振的分析程序。分别开展了模型结构设置纯水环形TLD、附加金属栅格环形TLD和附加泡沫颗粒环形TLD的减振试验，并进行了数值模拟对比分析。研究表明：所编制的程序能够模拟模型结构设置环形TLD减振结构体系的动力响应；当环形TLD调谐频率比为0.9时，减振体系阻尼比超过0.04，减振效果最佳；附加金属栅格或泡沫颗粒，能够提高环形TLD中液体阻尼，耗散振动能量，但随着液体运动受限增加，减振效果有所下降。研究为高耸钢结构环形TLD减振的设计和应用提供了相关数据。
为研究装配整体式混凝土框架结构的滞回性能、延性和耗能能力等抗震性能，并考察其在罕遇地震作用下进入弹塑性阶段的受力性能，进行了2个1/2比例的2层2跨现浇柱预制梁框架试件的低周反复荷载试验。2个试件分别为对比装配式框架试件和预制梁端底部钢筋带套管的框架试件，试验中结构的最大层间位移角达到1/25。试验结果表明：现浇柱预制梁框架结构具有稳定的滞回性能及良好的延性；整个试验过程中结构刚度退化明显，且刚度退化主要发生在屈服之前；梁端钢筋的套管很好地发挥了作用，套管将接缝处钢筋变形平均到套管中，增大了梁端塑性铰长度，进而提高了结构的变形能力。研究成果可为装配整体式混凝土框架在抗震设防区的推广和应用提供参考。
针对村镇低层与多层建筑和再生材料应用，研发了一种模塑聚苯乙烯保温模块单排配筋再生混凝土剪力墙，该剪力墙由保温模块、再生混凝土、单排钢筋、异形柱边框和面层砂浆复合而成。进行了2个足尺剪力墙试件低周反复荷载试验，1个为模塑聚苯乙烯保温模块单排配筋再生混凝土剪力墙试件，另1个为普通单排配筋再生混凝土剪力墙试件。分析了2个试件的破坏特征、承载力、位移与延性、刚度退化及耗能性能等，提出了保温模块单排配筋剪力墙受剪承载力计算模型，其计算结果与试验符合较好。研究结果表明：与普通单排配筋再生混凝土剪力墙相比，模塑聚苯乙烯保温模块单排配筋再生混凝土剪力墙承载力明显提高，刚度退化减慢，延性好，耗能能力大幅度提高。模塑聚苯乙烯保温模块单排配筋再生混凝土剪力墙可用于村镇低层和多层抗震结构中。
为了研究内、外叶钢筋混凝土墙板、无机保温砂浆板及FRP连接件组成的预制混凝土无机保温夹心外墙的抗火性能，按照ISO 834升温曲线对其进行抗火性能试验，试件包括：有保温层墙体W1（受火60min）、无保温层墙体W2（受火60min）和有保温层墙体W3（受火180min）。研究表明：3个试件沿截面厚度方向温度场呈非线性分布，外叶墙距迎火面30mm范围内，温度梯度较大，而内叶墙温度受火灾影响较小；试件W1、W2和试件W3跨中区域的背火面平均温升分别为10.7、29.7℃和49.5℃，FRP连接件最高温度分别为435.5、389.4℃和763℃；实测最大跨中挠度分别为14.2、51.7mm和102.3mm，无机保温砂浆板可增加墙体抗弯刚度，减小墙体挠度；试件W1、W2在受火60 min情况下，满足GB/T-9978-1—2008《建筑构件耐火试验方法》和ASTM E119所规定的完整性、隔热性和变形等要求，试件W3在受火180min情况下，墙体耐火极限约为89min。
为研究薄钢板剪力墙结构的滞回行为，采用通用有限元分析软件ABAQUS建立其非线性有限元分析模型，并对计算平台、单元选取、网格划分、初始缺陷施加及材料循环本构模型等予以介绍。结合国内外已有的钢板剪力墙拟静力试验，验证了提出的分析模型能够准确地模拟由于平面外变形、局部屈曲、塑性应变累积等因素造成的承载力和刚度退化、曲线捏拢等，并预测了结构的破坏形态。在此基础上，结合试验结果以及有限元分析结果对钢板剪力墙的滞回性能、承载性能、耗能行为、损伤退化特征以及断裂性能进行分析。试验和有限元分析结果均表明：不同的钢板剪力墙局部构造会影响结构的滞回性能、耗能能力、损伤退化行为以及承载性能；开竖缝钢板剪力墙能够显著提高结构的耗能能力，改善曲线捏拢情况，但其承载力有较大降低；加劲钢板剪力墙承载性能有所提高，但其荷载位移滞回曲线仍然存在明显的捏拢现象，因此在实际工程中需要对加劲肋的尺寸进行优化，使其能够提供足够的约束，有效提高结构抗震性能。
截面弯矩-曲率滞回规则是钢-混凝土组合梁最重要的力学特性之一，该滞回模型的建立为组合箱梁结构的弹塑性分析提供了可行性。利用幂函数插值方法，考虑剪力连接度对组合箱梁截面弯曲刚度的影响，提出了考虑界面滑移的钢混凝土组合箱梁正向、负向截面弹性刚度及截面屈服弯矩计算方法，建立了组合箱梁截面弯矩-曲率三折线骨架曲线模型；在试验数据与理论分析的基础上，获得了组合箱梁正向及负向刚度退化规律表达式，并进一步提出了钢-混凝土组合箱梁截面弯矩曲率最大点指向型滞回模型，将该模型的分析结果同试验结果进行了比较。结果表明: 提出的组合箱梁截面弹性刚度、屈服弯矩、弯矩-曲率骨架曲线模型及滞回模型均与试验结果吻合良好，且模型计算方法简单明了，便于手算。
通过25根预应力碳纤维板加固钢筋混凝土梁试验研究，分析了预应力加固梁制作各工序的预应力损失。试验结果表明：当预应力水平分别为20%和30%时，预应力碳纤维板加固梁的平均预应力损失（相对于初始预应力）分别为14.38%和15.36%。对碳纤维板采取超张拉和二次超张拉技术，可以有效减小预应力损失。基于国内外混凝土结构设计规范的预应力损失计算方法，将预应力损失分为三部分：碳纤维板和锚具间的滑移引起的预应力损失、混凝土弹性压缩变形引起的预应力损失和碳纤维板应力松弛造成的预应力损失。在试验基础上，提出了三部分预应力损失的计算表达式，为预应力碳纤维板的加固设计提供参考。
为研究体外预应力对混凝土梁受剪承载力提高的作用机理和体外预应力混凝土梁受剪承载力计算方法，分析钢筋混凝土梁和体外预应力混凝土梁微元体受力特点的区别，探讨体外预应力对受剪性能影响的机理，求解体外预应力对混凝土和箍筋抗剪贡献的提高系数，得到体外预应力混凝土梁受剪承载力理论计算式。采用已有体外预应力混凝土梁剪切破坏的试验数据对理论计算式进行验证，并与各国规范计算结果进行对比。结果表明，理论计算式得到的受剪承载力计算值与试验值的比值均值为0.950，标准差为0.125，提出的计算式可较好地预测体外预应力混凝土梁的受剪承载力，并可以考虑梁的几何尺寸、剪跨比、预应力筋弯起角度、纵筋率、配箍率、纵筋及腹筋屈服强度、混凝土强度等影响因素。
提出了含电化学沉积产物、水和混凝土基体在内的三相复合材料细观力学模型；基于Mori-Tanaka法对提出的细观力学模型进行多层次均匀化处理，获取电化学沉积修复饱和混凝土的有效性能，其中，第一层均匀化采用带修正函数的Mori-Tanaka法获取等效夹杂的有效性能，第二层均匀化采用Mori-Tanaka法获取修复混凝土的有效性能；将均化的三相复合材料细观模型用于预测电化学修复饱和混凝土有效性能，并与预测试验数据和已有模型进行对比。结果表明：所提模型不仅可有效地预测修复过程饱和混凝土的有效性能，还可预测未修复的饱和混凝土的弹性模量；同时，基于模型的分析发现，随着电化学沉积产物性能的提高，修复后混凝土具备更高的有效性能。
采用试验方法对实验室中常用的获取锈蚀钢筋混凝土构件的电加速锈蚀技术进行对比研究。共设计了8块混凝土板试件，考虑钢筋直径和锈蚀电流密度不同，分别采用全浸入法、半浸入法和干湿交替法进行电加速锈蚀，通过激光扫描建模对锈蚀钢筋表面特征进行统计分析，对比不同方法下的锈蚀不均匀性和锈胀裂缝发展。结果发现，半浸入法和小电流干湿交替法中钢筋实际锈蚀程度明显小于法拉第定律的预测值。钢筋区段最大截面锈蚀率与平均锈蚀率的比值可用来量化锈蚀不均匀性，该比值服从广义极值分布，并受钢筋直径和截断长度的影响。全浸入法得到锈蚀钢筋的不均匀性较差，胀裂开展速率最低，不宜采用。半浸入法得到锈蚀钢筋不均匀性好，但胀裂开展速率较低，在针对锈蚀钢筋本身的研究中可采用。干湿交替法在两方面表现均较好，建议采用，但外加电流密度不宜大于50μA/cm2。
区间估计法和贝叶斯估计法是国际标准ISO 2394:1998中根据试验结果推断抗力设计值的重要方法，但两者的推断结果并不一致，会导致设计人员在选用推断方法时产生疑虑。欧洲规范EN 1990:2002中仅选用了其中的贝叶斯估计法，但与一般的贝叶斯估计法不同，它未设置统计推断的置信水平，无法明确判定推断结果的信任程度。另外，对于抗力服从正态分布的情况，两个标准均未提供变异系数已知条件下抗力设计值的推断方法，难以更好地满足实际推断的需要。为解决这些问题，针对抗力服从正态分布和对数正态分布的情况，利用考虑可信水平的贝叶斯估计法提出新的抗力设计值的推断方法，该方法直接以未知参数的联合后验分布为依据，与推断依据有着更直接的联系，其推断公式和结果与区间估计法的完全一致；通过对比分析，揭示了国际标准ISO 2394:1998中贝叶斯估计法与区间估计法不一致的原因；同时，利用区间估计法提出了变异系数已知时抗力设计值的推断方法。新方法明确判定推断结果的信任程度，并可更好地满足实际推断的需要。
在结构连续倒塌分析中，可通过荷载动力放大系数将静力荷载进行放大，从而间接模拟结构的动力响应。目前国内外相关文献中关于动力放大系数取值的观点不同。对于空间结构，杆件失效后剩余结构容易出现塑性；塑性程度对动力放大系数影响较大，使得动力放大系数具有不确定性。提出采用应力比值法研究张弦结构的动力放大系数，其过程为：在设计荷载组合下控制结构不同的平均应力比值，得到不同构件截面大小的结构模型，然后对这些模型进行动力放大系数的分析。为了充分研究动力放大响应，分别定义了弹性位移动力放大系数、弹塑性动力放大系数和荷载动力放大系数。分析结果表明：对于张弦结构，弹性动力放大系数最大不超过2.0；由于塑性的发展，弹塑性动力放大系数有可能超过2.0。荷载动力放大系数取2.0比较保守；建议索破坏时荷载动力放大系数取1.6~1.8，其他重要构件破坏时荷载动力放大系数取1.3~1.5。
向量式有限元法是一种基于点值描述和向量力学理论的分析方法,可有效模拟结构的空间大位移、大转动行为。推导了三角形膜单元的向量式有限元基本公式，详细阐述了通过逆向运动获得单元节点纯变形位移以及在变形坐标系下求解单元节点内力的方法。在此基础上编制了膜单元的计算程序，并通过算例分析验证了理论推导的正确性及所编制程序的可靠性。进一步将向量式有限元引入膜结构的褶皱分析，采用主应力主应变准则和修正本构矩阵方法处理膜结构的褶皱问题，对一典型膜结构在面外荷载作用下的力学行为及褶皱发展情况进行跟踪分析，成功捕捉了从褶皱出现、褶皱大范围扩展直至褶皱最终消失的全过程，证明了该方法在膜结构皱褶分析中可有效克服传统有限元方法存在的单元刚度矩阵奇异、迭代不易收敛等问题。
采用ANSYS有限元分析软件对于家堡交通枢纽站房“贝壳”形空间网壳结构的施工过程进行数值模拟，按照实际施工步骤，利用单元生死技术分析了结构关键杆件的应力变化过程，对提升工序进行了详细分析；为确保施工过程的安全，针对该结构中同时受到较大的轴力、剪力、弯矩及扭矩作用的的箱形截面构件，制定了专门的监测方案，将数值模拟位移结果与实际监测数据进行对比；利用非线性弹簧单元模拟了该工程支座的受力特性，基于该工程双支座的受力特征，重点研究了施工过程中支座位移的变化趋势。研究表明：由于施工顺序及温度的影响，各支座产生不同程度的位移，应采取措施加以固定；提升施工中提升点附近应力较大，卸载后残余应力较小；模拟结果与实际监测结果吻合较好，证明该施工模拟方法切实可行，施工过程中结构关键杆件应力及位移在可控范围之内，施工方案可以很好地满足施工要求。
在雷诺数为(1.1~6.8)×105 的范围内测量了5种截面宽厚比（B/D分别为2.0、2.5、3.0、3.5和4.0）的二维矩形截面柱体模型的表面风压时程，研究了各模型的平均风压分布以及脉动风压分布随雷诺数的变化规律，并分析了雷诺数对5个模型的背风面中点风压系数的影响，进而从模型周围气流绕流的角度解释了矩形截面柱体模型雷诺数效应的机理。试验结果表明，5个模型的表面风压分布都受雷诺数的影响，且雷诺数不仅影响模型侧面气流再附区的风压分布，也影响模型侧面前缘气流分离区的风压分布。不同截面宽厚比的模型受雷诺数的影响程度也不同，其中B/D=4.0模型的表面风压分布对雷诺数最敏感，当雷诺数达到6.8×105 时，其分离剪切层更易再附于模型侧面，其气流再附位置明显向前缘移动。此外，B/D=4.0模型的背风面负压绝对值随雷诺数的增大呈现先增大后急剧减小的变化规律。
采用计算流体动力学计算方法，对不同平移速度的龙卷风作用下典型高层双坡屋面的风荷载进行了数值研究。综合滑移网格和动网格的各自优势，利用动网格法和滑移交界面分割技术，实现了等效移动龙卷风场的数值模拟。计算研究表明：龙卷风场作用下，各种坡角(0°、15°、30°和60°)的计算模型的屋面风荷载均为吸力，在距风场中心距离为最大切向风速所对应半径的附近，屋面吸力最大；在等效移动龙卷风场中，由于充分捕捉了龙卷风场作用于计算模型过程中的动态效应，屋面的吸力远大于其在静止龙卷风场中的吸力，30°坡角屋面吸力增幅最大(83.9%)，0°坡角屋面吸力增幅最小(74.3%)；在距风场中心距离为最大切向风速所对应半径的附近，出现了风压激增区，在此区域屋面的吸力急剧增大，等效移动龙卷风场中此现象更加明显。此外，龙卷风的风致破坏不仅与其风场强度正相关，而且与平移速度也大致呈正相关，计算模型屋面风压随平移速度的增大而增大，但当平移速度超过某限值（约为最大切向风速的25%），计算模型屋面风压略有下降。
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